đề cương bài tập lớn TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Giảng viên hướng dẫn : TS Lại Nguyễn Duy Nhóm thực : Hồng Thanh Trường_DV18 Đỗ Hồng Tuấn_DV18 Lê Cơng Tú_DV18 Trương Đức Tài_DV18 Nguyễn Quốc Huy_DV18 MỤC LỤC ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Nhu Cầu Thực Tế Chúng ta thấy ngày nhu cầu truyền nhận thơng tin ln gắn liền với hình thành phát triển người Các phương pháp từ nguyên thủy ngôn ngữ dấu hiệu đến phức tạp hệ thống truyền tin, truyền hình mạng máy tinh Sự phát triển xã hội địi hỏi việc truyền nhận thơng tin liên lạc phải nhanh chông chinh xác Xã hội căng đại người ta căng tối ưu hóa việc truyền dẫn thơng tin giải pháp cho vấn đề thay môi trường truyền dẫn từ cáp đồng sang cáp quang Bởi sợi quang có nhiều ưu điểm bật so với cáp đồng : -Về mặt cơng suất tín hiệu : suy hao trung binh cáp quang 0,25dB/km (cáp UTP Cat cho mạng Ethernet) -Về mặt băng thông, mức suy hao nói cáp quang trì khoảng tần số vài chục terahertz -Về mặt nhiễu, cáp quang hồn tồn khơng bị nhiễu điện từ cáp đồng -Ngồi ra, sợi quang có khối lượng nhẹ dây đồng khoảng 100 lần, an toàn điện có khả chống nghe đường dây tốt 1.2 Lịch sử phát triển Về mặt lịch sử, truyền tin ánh sáng có trước phương pháp truyền tin điện Điều dễ hiểu ánh sáng vốn sẵn có cách tạo lửa người khám phá trước tạo điện từ Những hệ thống thông tin quang triển khai thử nghiệm Hoa Kỳ, châu Âu Nhật Bản từ năm 1977 thức đưa vào khai thác từ năm 1980 Sử dụng nguồn laser bán dẫn GaAs bước sóng 850 nm sợi quang đa mode, tốc độ bit đạt từ 45 Mb/s đến 140 Mb/s cho cự ly truyền đến 10 km ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm Hiện chạy đua việc tìm kiếm ứng dụng phương pháp ghép kênh diễn khốc liệt Trong đó, bật xu hướng thay đổi sợi quang có lõi sợi quang đa lõi (multi-core fiber) sử dụng phương pháp ghép kênh theo không gian CHƯƠNG II: SỢI QUANG 2.1 Giới thiệu sợi quang Sợi quang dây nhỏ dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy đuợc tia hồng ngoại Cấu tạo: o Core: Trung tâm phản chiếu sợi quang nơi ánh sáng o Cladding: Vật chất quang bên bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi o Buffer coating: Lớp phủ dẻo bên bảo vệ sợi không bị hỏng ẩm ướt o Jacket: Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang đặt bó gọi Cáp quang Những bó bảo vệ lớp phủ bên cáp gọi jacket Phân loại: Gồm loại chính: o Multimode (đa mode o Single mode (đơn mode) Đặc điểm: o Phát: Một điốt phát sáng (LED) laser truyền liệu xung ánh sáng vào cáp +quang o Nhận: sử dụng cảm ứng quang chuyển xung ánh sáng ngược thành data o Cáp quang truyền sóng ánh sáng (khơng truyền tín hiệu điện) nên nhanh, khơng bị nhiễu bị nghe trộm ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm o Độ suy dần thấp loại cáp đồng nên tải tín hiệu xa hàng ngàn km o Cài đặt địi hỏi phải có chun môn định o Cáp quang thiết bị kèm đắt tiền so với loại cáp đồng 2.2 Sự giam cầm quang học Về mặt khái niệm, giam cầm quang học nghĩa tập trung ánh sáng vào vùng không gian xác định trước Việc hạn chế không để ánh sáng truyền khỏi khu vực cụ thể dựa tượng phản xạ toàn phần > Như vậy, điều kiện tạo nên giam cầm ánh sáng là: (i) ánh sáng truyền mơi trường có chiết suất lớn mơi trường xung quanh (ii) góc tới mặt phân cách hai môi trường tia sáng lớn góc giới hạn phản xạ tồn phần 2.3 Sự lan truyền sóng ánh sáng sợi quang Sợi quang xem ống d ẫn sóng hình trụ Mơi trường lan truyền sóng điện mơi khơng có từ tính Tín hiệu ánh sáng xem sóng điện từ Lý thuyết điện từ Maxwell áp dụng để phân tích cách tồn diện q trình lan truyền sóng sợi quang 2.4 Suy hao sợi quang Suy hao, chất, mát cơng suất tín hiệu lan truyền dọc theo môi trường truyền Trong sợi quang, nguyên nhân gây suy hao chia làm ba nhóm chính: o Suy hao hấp thụ (absorption) o Suy hao tán xạ (scattering) o Suy hao uốn cong (bending) ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm 2.5 Tán sắc sợi quang Tán sắc thay đổi hình dạng miền thời gian tín hiệu mà khơng làm thay đổi cơng suất Bản chất tán sắc sợi quang chênh lệch thời gian lan truyền thành phần khác ánh sáng Trong sợi quang, nguyên nhân gây tán sắc chia làm bốn loại: o o o o Tán sắc mode (modal dispersion) Tán sắc vật liệu (material dispersion) Tán sắc ống dẫn sóng (waveguide dispersion) Tán sắc phân cực (polarization dispersion) 2.6 Hiện tượng phi tuyến sợi quang Các tượng phi tuyến sợi quang xuất rõ rệt công suất ánh sáng truyền sợi tăng lên Trong hệ thống mạng metro long - haul, nhiều bước sóng gần truyền tập trung sợi quang với lõi nhỏ cộng thêm khuếch đại công suất dọc theo đường truyền, tượng phi tuyến cần phải giảm thiểu để tránh làm giảm chất lượng tín hiệu Hiện tượng phi tuyến sợi quang bao gồm hai nhóm tán xạ đàn hồi chiết suất phi tuyến 2.7 Các loại sợi quang thông dụng Các loại sợi quang quy chuẩn theo ITU-T từ ITU-T G.651 đến ITU-T G.657 o o o o ITU-T G.651 ITU-T G.652 ITU-T G.653-G.656 ITU-T G.657 ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm 2.8 Một số vấn đề khác sợi quang Hàn nối sợi quang: Đây thao tác cho kỹ sư liên quan đến hệ thống cáp quang Kết nối sợi quang: để nối sợi quang vào thiết bị cần dùng đầu kết nối (connector) Máy OTDR (optical time-domain reflectometer ): máy đo phản xạ quang miền thời gian) thiết bị phổ biến để kiểm tra suy hao đường truyền CHƯƠNG III: NGUỒN PHÁT QUANG 3.1 Chất bán dẫn, tiếp giáp P-N Chất bán dẫn loại P (hay dùng nghĩa tiếng Việt bán dẫn dương) có tạp chất nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu lỗ trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive’, nghĩa dương) Khi ta pha thêm lượng nhỏ chất có hố trị Indium (In) vào chất bán dẫn Si nguyên tử Indium liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị liên kết bị thiếu điện tử => trở thành lỗ trống (mang điện dương) gọi chất bán dẫn P Chất bán dẫn loại N (bán dẫn âm – Negative) có tạp chất nguyên tố thuộc nhóm V, nguyên tử dùng electron tạo liên kết electron lớp liên kết lỏng lẻo với nhân, electron dẫn Khi ta pha lượng nhỏ chất có hố trị Photpho (P) vào chất bán dẫn Si nguyên tử P liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hố trị, ngun tử Photpho có điện tử tham gia liên kết dư điện tử trở thành điện tử tự => Chất bán dẫn lúc trở thành thừa điện tử ( mang điện âm) gọi bán dẫn N (Negative: âm ) Tại lớp chuyển tiếp P-N, có khuếch tán electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán loại n electron gặp lỗ ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm trống, chúng liên kết cặp electron lỗ trống biến Ở lớp chuyển tiếp P-N hình thành lớp nghèo (khơng có hạt tải điện) Ở hai bên lớp nghèo, phía bán dẫn N có ion đơ-nơ tích điện dương, phía bán dẫn loại P có axepto tích điện âm Điện trở lóp nghèo lớn 3.2 Diode phát quang (light emitting diode – LED) 3.2.1 Nguyên tắc hoạt động cấu tạo Cấu tạo: Điốt bán dẫn thường có nguyên lý cấu tạo chung khối bán dẫn loại P ghép với khối bán dẫn loại N nối với chân anode cathode Nguyên tắc hoạt dộng: LED hoạt động dựa tượng xạ tự phát Khi lớp tiếp giáp p -n LED phân cực thuận, electron từ dãy dẫn vùng n kết hợp với lỗ trống từ dãy hó a trị vùng p Phần lượng chênh lệch electron di chuyển từ dãy lượng cao xuống dãy lượng thấ p sinh photon 3.2.2 Đặc tính điều chế Thơng thường, LED điều chế trực tiếp với tín hiệu cần truyền cách thay đổi dịng lái LED Để tín hiệu điều chế không bị méo dạng, cần ý hai điểm sau: o Biên độ dịng lái cơng suất phát quang nằm vùng liên hệ tuyến tính o Tần số dịng lái nằm dải thơng điều chế dB ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm 3.3 Laser diode 3.3.1 Nguyên tắc hoạt động cấu tạo Cấu tạo: Đèn laser hay thiết bị phát tia laser tiêu chuẩn có cấu tạo gồm phận o Vật liệu laser mơi trường hoạt chất o Nguồn lượng bên ngồi (ánh sáng, điện) o Buồng cộng hưởng quang Nguyên tắc hoạt động: Laser (light amplification by stimulated emission of radiation - tạm dịch: khuếch đại ánh sáng xạ kích thích) dạng ánh sáng đặc b iệt khơng có tự nhiên Sóng ánh sáng laser sóng phẳng đồng pha (uniform planewave) lan truyền hướng, pha, tần số Nói cách khác, cơng suất ánh sáng laser tập trung tất vào điểm 3.3.2 Đặc tính điều chế Nguồn laser thường chia làm hai chế độ hoạt động chế độ phát xạ liên tục (continuous wave – CW) chế độ xung (pulse) Trong chế độ phát xạ liên tục, laser xạ với cường độ ổn định khoảng thời gian dài Trong chế độ xung, laser xạ theo chu kỳ với thời gian xạ chu kỳ ngắn đến femto giây (~ 10-15 giây) Do lượng tích lũy phát tập trung theo thời gian, cơng suất xung cao gấp nhiều lần công suất xạ liên tục ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm CHƯƠNG IV: BỘ THU QUANG 4.1 Nguyên Tắc Hoạt Động Theo lý thuyết mạch, phân cực ngược , photodiode có điện trở lớn khiến khơng có dịng điện chạy mạch Nếu mức lượng hấp thụ lớn mức chênh lệch Eg dãy dẫn dãy hóa trị, electron tách khỏi nguyên tử hấp thụ photon tạo nên hạt mang điện âm lỗ trống mang điện tích dương Có ba trường hợp sau xảy Khi có điện tích di chuyển vùng nghèo, mạch xuất dòng điện Số photon hấp thụ nhiều số hạt mang điện di chuyển vùng nghèo nhiều Nói cách khác, cường độ ánh sáng mạnh cường độ dịng điện chạy mạch cao Hiểu theo lý thuyết mạch, cường độ ánh sáng mạnh điện trở photodiode giảm dòng điện qua photodiode tăng 4.2 Cấu tạo Hai loại photodiode dùng chủ yếu PIN APD (photodiode th ác lũ – avalanche photodiode) PIN photodiode dùng chất InGaAs loại phổ biến cho ứng dụng thông tin quang tốc độ cao 40 Gb/s Trong APD, lượng cung cấp dạng lượng điện trường phân cực ngược Tuy nhiên, chất bán dẫn dùng hấp thụ ánh sáng băng C InGaAs có mức chênh lệch lượng Eg nhỏ (0,75 eV), tác động điện trường mạnh gây nhiễu dòng tối lớn tượng đường hầm (tunneling effect) vật lý lượng tử 4.3 Các Đặc Tính Của Bộ Thu Quang Để lựa chọn thu phù hợp, cần ý bốn yếu tố sau: o Bước sóng o Đáp ứng o Nhiễu o Thời gian đáp ứng 10 ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm Trong đó, bước sóng tùy thuộc vào ánh sáng cần thu Để lựa chọn PIN APD bước sóng, cần xem xét tỷ số tín hiệu nhiễu SNR Để tính tốn SNR, cần tính cơng suất tín hiệu thơng qua đáp ứng thu công suất nhiễu Sau cùng, thời g ian đáp ứng định tốc độ tín hiệu thu o Bước sóng o Đáp Ứng o Nhiễu o Thời gian đáp ứng CHƯƠNG V: ĐƯỜNG TRUYỀN QUAN ĐIỂM - ĐIỂM 5.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ 5.1.1 Điều chế cường độ Trong phương pháp này, cường độ tín hiệu ánh sáng điều chế với tín hiệu bit cần truyền Hai phương pháp mã hóa phổ biến NRZ RZ Có hai phương pháp để thực việc điều chế cường độ: o Phương pháp điều chế trực tiếp (direct modulation) o Phương pháp điều chế (external modulation) 5.1.2 Điều chế pha vi sai Nguyên lý việc giải điều chế pha ánh sáng chuyển thay đổi pha thay đổi cường độ thu photodiode đáp ứng theo cường độ sáng Phương pháp chuyển đổi tương tự phương pháp hoạt động MZM: cách kết hợp hai tín hiệu ánh sáng có hướng lan truyền, độ sai lệch pha hai tín hiệu làm cơng suất tín hiệu tổng hợp thay đổi tương ứng 11 ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm 5.1.3 Điều chế IQ Trong mi ền điện, ký hiệu số phức, với giá trị phần thực I (inphase) phần ảo Q (quadrature) Do đó, cách điều chế cịn gọi điều chế IQ Hiện nay, cách điều chế giải điều chế IQ phổ biến kết hợp điều chế quang xử lý tín hiệu 5.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC 5.2.1 Sợi bù tán sắc (DCF) DCF sợi quang có tán sắc với độ dốc âm Tỷ lệ S Dλ0 gọi độ dốc tán sắc tương đối (relative dispersion slope – RDS) Giá trị RDS sợi quang DCF gần sợi quang bù tán sắc tốt Đối với DCF, tán sắc ống dẫn sóng tăng thêm nhiều lần cách thay đổi cấu trúc sợi quang Cấu trúc phổ biến cấu trúc ba vòng chiết suất 12 ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm 5.2.2 Sợi chirp cách tử Bragg (CFBG) Về nguyên tắc hoạt động, CFBG nhằm tạo tán sắc với độ dốc âm Tuy nhiên, thay tăng tán sắc ống dẫn sóng DCF, CFBG thay đổi quãng đường di chuyển bước sóng Để bù lượng tán sắc, CFBG cần chiều dài vài chục centimet so với vài kilomet dùng DCF Do đó, kích thước, độ suy hao tính phi tuyến CFBG nhỏ DCF Tuy nhiên, giá trị tán sắc phân cực CFBG lớn 5.2.3 Xử lý tín hiệu số (DSP) 5.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ SUY HAO 5.3.1 Bộ khuếch đại dùng sợi pha Erbium (EDFA) Nguyên lý hoạt động EDFA tương tự nguyên lý khuếch đại ánh sáng hốc cộng hưởng laser: cần tạo hệ thống có ba mức lượng trở lên để sinh tượng đảo mật độ dẫn đến khuếch đại ánh sáng xạ kích thích Hệ thống ba mức lượng tạo thành sợi quang đơn mode cách pha thêm tạp chất đất hi ếm Erbium 13 ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm Cấu tạo EDFA: 5.3.2 Bộ khuếch đại Raman Nguyên tắc hoạt động khuếch đại Raman chuyển lượng nguồn bơm có bước sóng ngắn thành lượng tín hiệu có bước sóng dài thơng qua tượng tán xạ Raman kích thích sợi quang Hiện tượng tán xạ Raman thường yếu (tỷ lệ nhỏ 10-6), nhiên công suất ánh sáng sợi quang tăng cao, tượng tán xạ Raman chuyển thành tượng tán xạ Raman kích thích phần lớn cơng suất ánh sáng ban đầu chuyển thành công suất ánh sáng tán xạ 5.3.3 Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) Nguyên lý hoạt động SOA hoàn toàn tương tự m ột laser bán dẫn khơng có mặt phản xạ 14 ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm Trong đó, cơng suất điện bơm cho cấu trúc bán dẫn chuyển thành công suất khuếch đại quang thông qua tượng xạ kích thích electron Do tính tương đồng này, SOA khuếch đại quang phát triển sau xuất laser bán dẫn Cấu trúc SOA tương tự laser Fabry Perot Điểm khác biệt khơng có lớp phản xạ hai đầu khối bán dẫn CHƯƠNG VI: TRUY CẬP MẠNG QUANG Một cách tổng quát, chia mạng quang thành ba vùng lớn: vùng thứ kết nối quốc gia thành phố lớn quốc gia; vùng thứ hai kết nối trạm thành phố tỉnh ; vùng thứ ba kết nối trạm nhà cung cấp dịch vụ mạng đến điểm kết nối với khách hàng Trong sách này, vùng thứ gọi tên mạng long - haul, vùng thứ hai gọi tên mạng metro vùng cuối gọi tên mạng truy cập (access) Mạng truy nhập quang mạng truy nhập mà hệ thống truyền dẫn (TS) hệ thống truyền dẫn quang Mạng truy nhập quang chủ yếu sử dụng cáp quang làm phương tiện truyền dẫn Mạng truy nhập quang chia làm loại : mạng truy nhập quang tích cực AON mạng truy nhập quang thụ động PON 6.1 Cấu trúc truy cập thụ động PON PON, viết tắt từ tên (tiếng Anh) Passive Optical Network, nghĩa "mạng quang thụ động", hình thức truy cập mạng cáp quang, kiểu mạng kết nối Điểm - Đa điểm (P2M), sợi quang làm sở tạo kiến trúc mạng Mỗi khách hàng kết nối tới mạng quang thông qua chia quang thụ động khơng cần nguồn cấp, khơng có thiết bị điện chủ động mạng phân chia băng thông chia sẻ từ nhánh (feeder) đến người dùng (drop), cho phép sợi quang đơn phục vụ nhiều nhánh sở, thường từ 16-128 15 ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm PON bao gồm thiết bị đầu cuối dây quang (OLT - Optical Line Terminal) văn phòng trung tâm nhà cung cấp dịch vụ thiết bị mạng quang học (ONUs - Optical Network Units) nơi gần người dùng cuối PON tên gọi chung cho mạng cáp quang, cụ thể có cơng nghệ: o EPON (Ethernet Passive Optical Network) loại cấu trúc mạng điểm-đa điểm, phương thức truyền dẫn cáp quang thụ động, dựa tảng Ethernet tốc độ cao TDM (ghép kênh phân chia thời gian) phương pháp kiểm soát truy cập phương tiện MAC, cung cấp nhiều An dịch vụ tích hợp cơng nghệ truy nhập băng thông rộng Hệ thống EPON sử dụng công nghệ WDM để thực truyền dẫn hai chiều sợi quang o GPON ( Gigabit-CapablePON Gigabit Passive Optical Network ) tiêu chuẩn truy cập tích hợp quang thụ động băng rộng hệ dựa tiêu chuẩn ITU-TG.984.x (International Telecom Union TG.984.x), với băng thông cao, hiệu cao, phạm vi phủ sóng lớn, giao diện người dùng phong phú nhiều ưu điểm khác hầu hết nhà khai thác coi công nghệ lý tưởng để thực hóa băng thơng rộng chuyển đổi toàn diện dịch vụ mạng truy nhập 6.2 Mạng truy nhập quang tích cực AON AON có nhiều ưu điểm kéo dây xa, tính bảo mật cao, dễ dàng nâng cấp băng thông thuê bao, dễ xác định lỗi, Tuy nhiên, có chi phí cao việc vận hành thiết bị đường truyền cần nguồn cung cấp, thuê bao sợi quang riêng, cần nhiều không gian chứa cáp Trong giải pháp truy nhập quang AON FTTH-AON áp dụng phổ biến Các công nghệ AON bao gồm : công nghệ PDH , SDH , NG-SDH o Nguyên lý công nghệ truyền dẫn cận đồng (PDH) ghép luồng số sở 2,048Mbit/s (hoặc 1,544Mbit/s) thành luồng số có tốc độ cao hơn: 16 ĐỀ CƯƠNG BÀI TẬP LỚN Nhóm 8Mbit/s,34Mbit/s,140Mbit/s (theo tiêu chuẩn Châu Âu) luồng số đưa đến biến đổi điện – quang để truyền sợi quang Tại đầu thu trình diễn ngược lại o SDH viết tắt từ Synchronous Digital Hierarchy, xuất vào cuối năm 1980 đến đầu năm 90 CCITT ( ITU-T) đưa khuyến nghị chuẩn SDH SDH có ưu việc ghép kênh đơn giản, linh hoạt, giảm trang thiết bị mạng, băng tần truyền dẫn rộng, cung cấp giao diện tốc độ lớn cho dịch vụ tương lai, tạo khả quản lý mạng tập trung o Công nghệ SDH thiết kế tối ưu cho mục đích truyền tải tín hiệu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) Với khuynh hướng truyền tải liệu ngày tăng, hệ thống SDH truyền thống đáp ứng nhu cầu gia tăng dịch vụ số liệu 17 ... TẬP LỚN Nhóm 2.8 Một số vấn đề khác sợi quang Hàn nối sợi quang: Đây thao tác cho kỹ sư liên quan đến hệ thống cáp quang Kết nối sợi quang: để nối sợi quang vào thiết bị cần dùng đầu kết nối... bật xu hướng thay đổi sợi quang có lõi sợi quang đa lõi (multi-core fiber) sử dụng phương pháp ghép kênh theo không gian CHƯƠNG II: SỢI QUANG 2.1 Giới thiệu sợi quang Sợi quang dây nhỏ dẻo truyền... Mạng truy nhập quang mạng truy nhập mà hệ thống truyền dẫn (TS) hệ thống truyền dẫn quang Mạng truy nhập quang chủ yếu sử dụng cáp quang làm phương tiện truyền dẫn Mạng truy nhập quang chia làm